Elektrikli araçlar için çift yönlü DA konvertör tasarımı ve analizi

Abstract

Dünyada artan nüfus ile taşıt sektöründe önemli derecede bir yükseliş meydana gelmiştir. Geleneksel araç teknolojisi yüksek oranda fosil yakıt ve türevlerinin kullanımını arttırmakta, fosil yakıt rezervlerinin azalmasına ve çevresel kirliliğin artmasına sebep olmaktadır. Bu durum farklı yakıt türlerinin kullanılmasına olan eğilimi arttırmaktadır. Elektrikli araç teknolojisi temelde batarya, güç elektroniği ve elektrik makinesinden oluşmaktadır. Günümüz batarya teknolojisinde, yüksek enerji yoğunluğu, düşük hacim, kolay şarj edilebilirlik, çalışma sıcaklığına ve yüksek şarj/deşarj döngüsüne sahip olması açısından lityum iyon bataryalar yaygın olarak tercih edilmektedir. Güç elektroniği devre yapıları ise elektrikli araçlarda kullanılan elektrik makinesinin istenen çalışma bölgelerine göre değişiklik göstermektedir. Güç elektroniği devrelerinin kontrol algoritmaları bataryanın şarj/deşarj döngüsünü ve aracın sürüş teknolojisini etkilemektedir. Bu tez çalışmasında elektrikli araçlar için yarım köprü çift yönlü DA-DA dönüştürücü DA makinesi ve bataryadan oluşan bir sistem geliştirilmiştir. Tasarlanan sistemin denetlenmesinde bulanık mantık denetleyicisi, PI kontrollü bulanık mantık denetleyicisi, kayan kipli denetleyici ve PI kontrollü kayan kipli denetleyici geliştirilerek bataryanın şarj/deşarj kontrolü, sürüşü gerçekleştirecek DA makinesinin motor ve generatör çalışma modları ile sistem için gerekli güç elektroniği sistemlerinin çalıştırılması sağlanmıştır. Matlab/Simulink ortamında analizi gerçekleştirilen elektrikli araç ve sürücü sisteminde iyileştirmeler yapılarak en uygun kontrol algoritmasının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yapılan benzetim çalışmalarından elde edilen test verilerine göre DA makinesi motor modunda çalışırken konvertör PI kontrollü bulanık mantık denetleyicisi ile sürüldüğünde %5,6 deşarj olduğu gözlemlenmiştir. Aynı sürüş senaryosunun DA-DA konvertör bulanık mantık denetleyicisi ile sürüldüğünde %5,5 deşarj, kayan kipli kontrolcü ile %4,1 deşarj ve PI kontrollü kayan kipli %4,2 deşarj olduğu tespit edilmiştir. DA makinesi generatör modunda sürüldüğünde ise şarj değerleri PI kontrollü bulanık mantık denetleyicisinde %2,4, bulanık mantık denetleyicisiyle kontrolde %2,5, kayan kipli denetleyici denetleyicisinde %1,7 ve PI kontrollü kayan kipli denetleyici denetleyicisinde de %1,8 şarj meydana gelmiştir. Bu durumda kayan kipli kontrol yöntemlerinin aynı senaryoda toplam %2,4 şarj kaybıyla bulanık mantık denetleyicilerine göre %33 daha yüksek verim sağladığı görülmüştür. Test senaryolarının geliştirilmesi ve çalışma sürelerinin uzatılması sonucunda elektrikli araç bataryasının enerji verimliliğinin daha da yükseleceği ve sonuç olarak elektrikli aracının tek bir şarjla gideceği menzilin artacağı görülmüştür. Anahtar kelimeler; Elektrikli araçlar, Çift yönlü DA dönüştürücü, Bulanık mantık, Kayan kipli kontrol

Along with increasing population, a remarkable increase in vehicle sector has occurred. Traditional vehicle technology has developed the use of fossil fuels as well as derivatives which causes decrement on fuel reserves and leads to environment pollution. Thus, this incidence triggers the tendency to exploit different kinds of fuels. Electrical vehicle technology is comprised by battery, power electronics and electrical machine. Nowadays, the tithium ion batteries are preferred in terms of their high energy intensity, low volume, easily rechargeability and being equipped with running temperature and high charge-discharge loops. Power electronic cycle structures show an alteration according to the demanded operation modes of electrical machines to function. The control algorithm of power electronic devices affects the charge-discharge loop of battery and drive technology of vehicle. In this thesis study, a system consisting of half bridge bi-directional DC-DC converter, DC electric machine and battery has been developed for electrical vehicles. The control of designed system has been performed by developing fuzzy logic controller, PI assisted fuzzy logic controller, sliding mode controller and PI assisted sliding mode controller in order to manage charge and discharge of batteries, motor and generator operation of DC machine, and operation of power electronic devices. It is targeted to determine the most efficient algorithm for electric vehicle and drive system by optimizing the improved system in Matlab-Simulink environment. According to simulation results, it is observed that DC machine operating in motor mode causes to 5.6% discharge when it is driven by PI assisted fuzzy logic controller. Under the same driving scenario, the discharge rates have been determined as 5.5% with pure fuzzy logic controller, 4.1% in sliding mode controller, and 4.2% PI assisted sliding mode controller.When the DC machine is operated in generator mode, the charging rates of battery have been measured at 2.4% in PI assited fuzzy logic controller, 2.5% in pure fuzzy logic controller, 1.7% with sliding mode controller and 1.8% with PI assisted sliding mode controller. The performed analysis has proved that the sliding mode type controllers causes to 2.5% overall battery discharge which is 33% less than fuzzy logic-based controllers in the same drive scenarios. It is verified that proposed sliding mode controllers would improve the efficiency of battery use and the range of electric vehicle by improving the test scenarios and operation durations. Keywords: Electric vehicles, Bi directional dc-dc converter, Fuzz logic control, Sliding mode control